Wird von untiefer Geothermie gesprochen, sind in der Schweiz überwiegend Erdwärmesonden (EWS) gemeint. Sie sind die gängigste Art, Erdwärme zu nutzen. Bei uns gibt es heute rund 90’000 solcher Sonden. Besonders im Mittelland sind sie verbreitet. Erdwärmesonden sind gewöhnlich 120 bis 150 Meter tief und versorgen vor allem Einfamilienhäuser. Heute sind Sonden bis 500 Meter Tiefe möglich.

Prinzip
Eine Erdwärmesonde ist ein U-förmiges Rohr, das in ein Bohrloch eingebracht wird. Im Rohr zirkuliert eine Flüssigkeit bestehend aus Wasser und Frostschutzmittel. Diese Trägerflüssigkeit entzieht dem Untergrund Wärme und gibt sie oben via Wärmetauscher und Wärmepumpe ans Heizsystem ab. Die abgekühlte Trägerflüssigkeit gelangt wieder in den Untergrund, wo sie erneut Erdwärme aufnimmt. Die Sondenlänge hängt von der benötigten Heizleistung ab. Wird eine Erdwärmesonden-Anlage optimiert, erhöht sich die Effizienz. Klicken Sie dazu hier.

Auch zum Kühlen können Erdwärmesonden eingesetzt werden, wobei nicht mal eine Wärmepumpe nötig ist (freecoling). Dabei wird im Sommer die überschüssige Wärme aus dem Gebäude in den Untergrund transportiert und dort zwischengelagert. Im Winter lässt sich diese Wärme erneut fürs Heizen nutzen. Das funktioniert aber nur bis zu einer Tiefe von rund 200 Metern. Unter dieser Grenze ist der Untergrund zu warm, um damit kühlen zu können.

Wird mit einer Anlage nur geheizt, dem Untergrund also allein Wärme entzogen, kühlt sich dieser leicht ab. Nach einigen Jahren stellt sich temperaturmässig auf tieferem Niveau ein relativ konstantes Gleichgewicht ein.

Koaxialsonde
Für Erdwärmesonden lassen sich auch Koaxialsonden einsetzen. Im ringförmigen Aussenraum eines Koaxialrohrs fliesst das Wärme transportierende Medium nach unten und im Innenrohr wieder nach oben. Der Vorteil einer Koaxialsonde liegt darin, dass das Innenrohr vom Aussenraum thermisch getrennt werden kann.

Kann aus Umweltschutz- oder geologischen Gründen keine Erdwärmesonde installiert werden, sind Erdwärmekörbe eine geeignete Alternative. Sie erlauben die Nutzung der Untergrundwärme bis rund 4 Meter Tiefe. Es lässt sich heizen und kühlen. In der Schweiz sind Erdwärmekörbe wenig verbreitet. Statt Erdwärmesonden wurden früher auch Erdregister eingesetzt. Das sind Sonden, die wie Erdwärmekörbe unmittelbar unter der Oberfläche horizontal verlegt werden. Erdregister haben sich nicht durchgesetzt.

Prinzip
Für die Heizung eines Einfamilienhauses sind etwa zwei bis drei Serien mit je drei Erdwärmekörben nötig. Die Oberkante der Erdwärmekörbe liegt in etwa 1.5 Meter Tiefe. Die Körbe sind miteinander verbunden und an eine Wärmepumpe angeschlossen. Die Zahl der zu installierenden Erdwärmekörbe ist von der gewünschten Heizungsleistung abhängig.

Erdwärmekörbe lassen sich bei neuen Einfamilienhäusern als auch bei grösseren neuen oder renovierten Gebäuden bei geeignetem Untergrund nutzen.

Um grosse Gebäude heizen und kühlen zu können, braucht es mehrere Erdwärmesonden oder eigentliche Erdwärmesondenfelder.

Werden viele Erdwärmesonden zusammengeschlossen, entsteht ein grosser Wärmespeicher. Im Sommer lässt sich überschüssige Wärme im Untergrund speichern. Diese gespeicherte Wärme kann im Winter wieder zum Heizen genutzt werden. Mit Erdwärmesondenfeldern lassen sich Häusergruppen, Mehrfamilienhäuser, Industrie- und Verwaltungsgebäude, Hotels oder Mehrzweckgebäude heizen und kühlen.

Prinzip
Zahlreiche Erdwärmesonden werden in Tiefen von 30 bis 250 Meter unter oder neben dem zu versorgenden Gebäude installiert. Die Leitungen der einzelnen Sonden laufen bei einer Wärmepumpe oder bei mehreren Wärmepumpen zusammen. Im Winter wird dem Untergrund Wärme entzogen. Umgekehrt lässt sich im Sommer kühlen, indem überschüssige Raummwärme im Untergrund gspeichert wird (freecooling). Zudem kann die im Sommer nicht benötigte Wärme aus Solaranlagen im Untergrund bis zum Winter zwischengespeichert werden.

Wird ein Erdwärmesondenfeld im Sommer auch zum Kühlen verwendet, dürfen die Bohrungen höchstens 250 Meter tief sein, um eine zu hohe Untergrundtemperatur zu vermeiden.

Liegt der Grundwasserspiegel nahe der Erdoberfläche, kann die im Grundwasser enthaltene Wärme zum Heizen genutzt werden.

Die grossen Grundwasservorkommen der Schweiz liegen im Mittelland und den Alpentälern wie z.B. im Rhone- oder Vorderrheintal. Diese Täler bestehen grösstenteils aus gut durchlässigen Schottern, in denen sich das Regenwasser ansammelt. Solche nutzbaren Grundwasserschichten sind bis zu mehreren Dutzend Meter dick.

Prinzip
Die Grundwassertemperaturen liegen im Mittelland zwischen 10 und 12°C, in den alpinen Tälern rund 2° C tiefer. Die Temperaturen sind übers Jahr hinweg konstant. Eine Bohrung erschliesst das Grundwasser. Eine Pumpe fördert das Wasser zur Heizanlage. Wärmetauscher und Wärmepumpen entziehen dem Wasser die Wärme und sorgen für die für das Heizsystem nötige Vorlauftemperatur. Anschliessend gelangt das abgekühlte Grundwasser über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund.

Das Grundwasser kann grundsätzlich auch zum Kühlen verwendet werden. Dazu ist keine Wärmepumpe nötig (freecooling). Allerdings ist darauf zu achten, dass sich dabei das Grundwasser nicht zu stark erwärmt.

Bei Grundwasseranlagen hat der Schutz des Trinkwassers oberste Priorität. Das Grundwasser darf weder durch die Bohrungen noch durch die Anlage verschmutzt werden. Sind in einem Gebiet mehrere Anlagen installiert, dürfen sich diese gegenseitig nicht beeinflussen. Grundsätzlich darf sich die natürliche saisonale Grundwassertemperatur durch eine Nutzung nicht mehr als 3°C verändern.

Für die nötigen Bewilligungen zur Grundwasser-Wärmenutzung sind die jeweiligen kantonalen Behörden zuständig.

Betonpfähle, -wände und –platten sichern bei grösseren Gebäuden wenn nötig die Tragfähigkeit und die Stabilität des Untergrunds. Werden in diesen Pfählen, Wänden und Platten auch Wärmetauscher eingebaut, spricht man von Geostrukturen. Diese können das Gebäude im Winter mit Wärme und im Sommer mit Kälte versorgen.

Prinzip
Wärmeleitfähigkeit und Speicherkapazität machen Beton zum idealen Material für die Aufnahme von Wärme. Die zur Fundation von Gebäuden nötigen Betonbauten jeder Grössenordnung lassen sich mit Wärmetauschern ausrüsten. Dabei werden die mit dem Untergrund in Kontakt stehenden Betonpfähle, -wände und -platten mit Kunststoffrohren versehen, um Wärme oder Kälte mit dem Untergrund auszutauschen. Diese Rohre werden gebündelt und Wärmepumpen zugeführt. Die installierte Wärmeleistung bewegt sich zwischen einigen Kilowatt bis gegen 1’000 Kilowatt.